第2单元 第14讲 光合作用的原理及探究历程(教参Word版)-【创新教程】2027年高考生物总复习大一轮讲义（多选）

该高中生物学高考复习讲义围绕光合作用的探索历程及原理核心考点，以生命观念中的物质与能量观为统领，串联经典实验分析与光反应、暗反应过程，构建“概念-历程-原理”的逻辑体系。通过必备知识复盘梳理基础，关键能力提升指导方法，真题研析强化实战，帮助学生系统突破难点。 资料突出科学探究与科学思维培养，如通过卡尔文实验分析同位素标记法应用，训练实验设计能力，构建C3、C5含量变化模型，深化对光暗反应联系的理解。设置分层练习与即时反馈，确保高效复习，助力学生提升应考能力，为教师把控复习节奏提供清晰路径。

第14讲　光合作用的原理及探究历程 知识体系——定内容 核心素养——定能力 生命 观念 运用物质与能量观，分析光合作用过程中物质和能量的转化 科学思维 分析ATP、NADPH、C3、C5等物质变化曲线模型，理解光反应和暗反应之间的联系 科学 探究 通过科学家探索光合作用的科学实验，掌握实验设计的科学和巧妙之处 考点1　光合作用的探索历程 [必备知识·复盘] 1．光合作用的概念及反应式 (1)光合作用的概念：绿色植物通过　叶绿体　，利用光能，将　二氧化碳和水　转化成储存着能量的有机物，并且释放出　氧气　的过程。 (2)反应式：　CO2＋H2O(CH2O)＋O2。　 2．探索光合作用原理的部分实验(连线) 　①希尔的实验说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应，原因是水的光解实验是在没有CO2的情况下进行的，没有碳参与反应，而糖的合成需要碳的参与。 ②鲁宾和卡门的实验以及卡尔文的实验都用到了同位素标记法。 ③同位素标记法中使用的同位素不都具有放射性，如18O就没有放射性，不能检测其放射性；而14C有放射性，可被追踪检测。 1．恩格尔曼选择水绵为实验材料、利用需氧细菌指示氧气释放的场所。(2025·福建卷，8A)(√) 2．光合作用一定发生在叶绿体中。(×) 3．希尔的实验说明了植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水。(×) 1．(必修1 P102～103“思考·讨论”)希尔的实验说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应，请说明理由。 答案：水的光解实验是在没有CO2的情况下进行的，没有碳参与反应，而糖的合成需要碳的参与。 2．(情景探究)(1)给小球藻提供18O2，在小球藻合成的有机物中检测到了18O，其最可能的转化途径是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案：有氧呼吸第三阶段18O2与[H]结合生成了HO，有氧呼吸第二阶段利用HO生成C18O2，C18O2再参与光合作用的暗反应生成含18O的有机物 (2)光照下卡尔文给小球藻悬浮液通入14CO2，一定时间后杀死小球藻，同时提取产物并分析。实验发现，仅仅30 s的时间，放射性代谢产物多达几十种，缩短时间到7 s，发现放射性代谢产物减少到12种。如果要探究CO2转化成的第一个产物是什么，可能的实验思路是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案：不断缩短光照时间后杀死小球藻，同时提取产物并分析，直到最终提取物中只有一种放射性代谢产物，该物质即为CO2转化成的第一个产物 [关键能力·提升] ◆[提升点]　通过光合作用的探索历程考查理解能力和获取信息的能力　 1．在光合作用发现过程中，科学家卡尔文做出了重要贡献。1945年，卡尔文等人在小球藻培养液中通入14CO2，再给予不同的光照时间，然后用甲醇(可杀死小球藻)分别处理并取样，最后根据标记化合物出现情况，确定生成物质的先后次序。下列有关说法，正确的是(　　) A．在卡尔文的实验过程中，不产生氧气，也不消耗氧气 B．该实验过程应该在无氧环境中进行，以排除干扰 C．若要确定第一个生成的物质，光照时间应延长 D．含有14C的物质，主要存在于叶绿体基质中 解析：：D　[小球藻进行光合作用的过程中，可以通过水的光解产生氧气，线粒体进行有氧呼吸的过程也会消耗氧气，A错误；卡尔文探究的是暗反应的过程，氧气对该实验没有明显干扰，不需要设置无氧环境，B错误；若要确定第一个生成的物质，应不断缩短光照时间，直到产物不再发生改变，可确定该产物是第一个生成的物质，C错误；暗反应的场所在叶绿体基质，以14CO2为原料生成的含有14C的物质主要存在于叶绿体基质中，D正确。] 2．在探索光合作用过程中有很多科学家作出了贡献。 (1)1881年，德国科学家恩格尔曼实验一的实验材料为水绵和需氧细菌，其优点是水绵的叶绿体呈　__________________　分布，便于观察，用需氧细菌可确定释放氧气的部位。恩格尔曼实验二是将光透过三棱镜照射水绵临时装片，好氧菌聚集在红光和蓝紫光区域中。如果有人将光透过三棱镜后再照射水绵临时装片，乳酸菌聚集在　______　区域中。 (2)1937年，英国植物学家希尔发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂(悬浮液中有H2O，没有CO2)，在光照下可以释放出氧气。希尔的实验说明水的光解与糖类的合成不是同一个化学反应，请解释原因________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)1941年，美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气来源于H2O。有人给某植物提供C18O2和H2O，释放的氧气中含有18O。氧气中含有18O是由于________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________， 其又作为原料参与了光合作用之故。 (4)20世纪40年代，卡尔文及其同事用CO2饲养单细胞小球藻，观察光合作用过程中碳的转化和去向，从而揭示了光合作用暗反应的过程。如图为卡尔文等研究的主要流程，请回答下列问题。 ①卡尔文等用14CO2处理小球藻不同时间，随后用沸腾的乙醇杀死细胞，目的是________________________________________________________________________。 ②随后通过双向纸层析分离小球藻中的有机物。点样处位于滤纸的左下角；双向纸层析是第一次层析后，将滤纸旋转90°进行第二次层析的方法；层析液中溶解度越大的物质在滤纸上扩散得越快。据图分析两次层析过程中使用了　______　(填“相同”或“不同”)的层析液。与单向纸层析相比，双向纸层析的优点是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ③叶片进行光合作用时，叶绿体中会产生淀粉。请设计相互实验来证明，完善实验思路：将生长状况良好且相同的叶片均分为甲乙两组，两组植物的叶片均进行黑暗(或饥饿)处理一段时间。________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________，分别加入碘液后观察。 解析：：(1)水绵的叶绿体呈螺旋带状，有利于观察叶绿体的形态。乳酸菌为厌氧菌，不需要氧气，而色素进行光合作用是不吸收绿光，因此如果有人将光透过三棱镜后再照射水绵临时装片，乳酸菌聚集在绿光区域中。 (2)希尔反应是将离体叶绿体置于悬浮液中完成的，悬浮液中有H2O，没有合成糖的另一种必需原料——CO2，因此，该实验说明水的光解并非必须与糖类的合成相关联，暗示着希尔反应是相对独立的反应阶段。 (3)如果反应时间较长，标记的C18O2通过暗反应C3的还原产生的水也含有18O标记，标记的水再进行水的光解产生含有18O标记的氧气。 (4)①为研究光合作用中碳的同化和去向，卡尔文等用14CO2处理小球藻不同时间，随后加热杀死小球藻，防止反应继续进行。 ②双向纸层析法是将滤纸在某一特殊的溶剂系统中按一个方向展层以后，即予以干燥，再转向90°，在另一溶剂系统中进行展层，待溶剂到达所要求的距离后，取出滤纸，干燥显色，从而获得双向层析谱。应用这种方法，如果溶质在第一溶剂中不能完全分开，而经过第二种溶剂的层析能得以完全分开，大大的提高了分离效果，分离现象更明显。 ③淀粉遇碘变蓝，欲证明光合作用产生淀粉，则可使用碘液检测，实验思路可为：将生长状况良好且相同的叶片均分为甲乙两组，两组植物的叶片均进行黑暗(或饥饿)处理一段时间。甲组置于有光，乙组置于黑暗，一段时间后，用差速离心法提取甲乙两组的叶绿体，脱色后制成匀浆，分别加入碘液后观察，预期的结果为甲组变蓝，乙组不变蓝。 答案：(1)螺旋带状　绿光 (2)希尔反应是将离体叶绿体置于悬浮液中完成的，悬浮液中有H2O，没有合成糖的另一种必需原料——CO2，因此，该实验说明水的光解并非必须与糖类的合成相关联；暗示着希尔反应是相对独立的反应阶段 (3)C18O2中的部分氧转移到HO中 (4)①终止反应，溶解有机物　②不同　将第一次层析重叠或距离较近的物质通过第二次层析彻底分离　③甲组置于有光，乙组置于黑暗，一段时间后，用差速离心法提取甲乙两组的叶绿体，脱色后制成匀浆 考点2　光合作用的原理 [必备知识·复盘] 1．光合作用的过程 (1)图中序号代表的物质：① NADPH ，② 2C3 ， ③ ADP＋Pi ，④ O2 ，⑤ (CH2O) 。 (2)比较光反应与暗反应 2．光合作用和化能合成作用的比较 1．光合作用中，水的光解发生在类囊体薄膜上。(2024·江西卷，5D)(√) 2．幼苗中的水可参与形成NADPH，也可参与形成NADH。(2024·贵州卷，1D)(√) 3．高温使作物叶绿素降解，光反应生成的NADH和ATP减少。(2023·湖北卷，11D)(×) 1．(必修1 P103“相关信息”)水分解为O2和H＋的同时，被叶绿体夺去两个电子。电子经传递用于形成NADPH，NADPH有什么作用？ 答案：NADPH可作为还原剂，又可为暗反应提供能量。 2．(必修1 P104“相关信息”)C3、C5分别是什么物质？ 答案：C3是指三碳化合物——3－磷酸甘油酸；C5是指五碳化合物——核酮糖－1,5－二磷酸(RuBP)。 3．(情景探究)光合作用物质含量变化的模型构建与解读 光照强度变化 CO2浓度变化 (1)图1中曲线甲表示　________________　，曲线乙表示________________________________________________________________________。 (2)图2中曲线甲表示　______________________　，曲线乙表示　________________　。 (3)图3中曲线甲表示　______________________　，曲线乙表示　________________　。 (4)图4中曲线甲表示　______________　，曲线乙表示　________________________　。 答案：(1)C3　C5、NADPH、ATP (2)C5、NADPH、ATP　C3 (3)C5、NADPH、ATP　C3 (4)C3　C5、NADPH、ATP [关键能力·提升] ◆[提升点1]　通过光合作用的过程考查获取信息能力　 1．研究人员从菠菜中分离类囊体，将其与16种酶等物质一起用单层脂质分子包裹成油包水液滴，从而构建半人工光合作用反应体系。该反应体系在光照条件下可实现连续的CO2固定与还原，并不断产生有机物乙醇酸。下列分析正确的是(　　) A．产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质 B．该反应体系不断消耗的物质仅是CO2 C．类囊体产生的ATP和O2参与CO2固定与还原 D．与叶绿体相比，该反应体系不含光合作用色素 解析：：A　[乙醇酸是在光合作用暗反应产生的，暗反应场所在叶绿体基质中，所以产生乙醇酸的场所相当于叶绿体基质，A正确；该反应体系中能进行光合作用整个过程，不断消耗的物质有CO2和H2O，B错误；类囊体产生的ATP参与C3的还原，产生的O2用于呼吸作用或释放到周围环境中，C错误；该体系含有类囊体，而类囊体的薄膜上含有光合作用色素，D错误。] 2．如图为绿色植物光合作用过程示意图(图中a～g为物质，①～⑥为反应过程，物质转换用实线表示，能量传递用虚线表示)。下列有关叙述错误的是(　　) A．图中①表示水分的吸收，③表示水的光解 B．c为ATP，f为NADPH C．将b物质用18O标记，最终在(CH2O)中能检测到18O D．图中a物质主要吸收红光和蓝紫光，绿色植物能利用它将光能转换成活跃的化学能 解析：：B　[图中a～g分别代表光合色素、O2、ATP、ADP、NADPH、NADP＋、CO2，①～⑥分别代表水分的吸收、ATP的合成、水的光解、CO2的固定、C3的还原、有机物的合成，A正确，B错误；18O2HOC18O2(CHO)，C正确；光合色素具有吸收、传递和转化光能的作用，D正确。] 光合作用反应式及元素去向分析 ①O：HO18O2 C18O2C3(CHO) ②C：14CO2―→14C3―→(14CH2O) ③H：H2O→NADPH→(CH2O) ◆[提升点2]　通过条件改变对光合作用的影响考查科学思维和综合判断能力　 3．如图是光合作用过程示意图(字母代表物质)，图中PSBS是一种类囊体膜蛋白，它能感应类囊体腔内的高H＋浓度而被激活，激活了的PSBS抑制电子在类囊体膜上的传递，最终将过量的光能转变成热能释放，从而防止强光对植物细胞造成损伤。 (1)绿叶中色素分离的原理是_______________________________________________ ________________________________________________________________________， 叶绿素a主要吸收　________　光。 (2)图中的A是　________　，C是　________　。 (3)若反应Ⅱ中G的浓度突然降低一半，短时间内C5的含量将　________　。如果追踪反应Ⅱ中相关元素的去向，常用　________　法。 (4)过度光照会激活PSBS，直接抑制　________　过程，导致电子不能传递给　________　(填图中字母)，所以过量的光能将不能转变为化学能。 解析：：(1)纸层析法分离色素的原理是不同色素在层析液中溶解度不同，溶解度大的随层析液在滤纸上的扩散速度快，叶绿素a主要吸收红光和蓝紫光。 (2)叶绿体中光合色素吸收的光能将水分解为氧和H＋，氧直接以氧分子的形式释放出去，故A为氧气。在ATP合成酶的作用下，能在跨膜H＋浓度梯度的推动下合成ATP，故C是ATP。 (3)在暗反应中，G是二氧化碳，二氧化碳的浓度突然降低至一半，C5的消耗量减少，合成量不变，故短时间内C5的含量将升高，如果追踪反应Ⅱ中相关元素的去向，常用同位素标记法。 (4)激活了的PSBS抑制电子在类囊体膜上的传递，水光解时产生的电子，过度光照将会激活膜蛋白PSBS，抑制电子在类囊体膜上的传递，直接抑制水的光解。电子、H＋与氧化型辅酶Ⅱ(NADP＋)结合，形成还原型辅酶Ⅱ(NADPH)，电子在类囊体膜上的传递减少，会抑制电子、H＋与D(NADP＋)结合的过程。 答案(1)不同的色素在层析液中的溶解度不同，随层析液在滤纸上的扩散速度不同　红光和蓝紫 (2)O2　ATP (3)升高　同位素标记 (4)水的光解　D 判断C3、C5等物质含量变化的分析思路 叶绿体内相关物质含量变化可通过对物质的来路和去路是否平衡进行分析： (1)来路与去路动态平衡，则物质含量相对稳定。 (2)来路不变，去路增加，或来路减少，去路不变，则物质含量减少。 (3)来路不变，去路减少，或来路增加，去路不变，则物质含量增加。 [真题研析]——浸润素养 [例]　(2025·山东卷)高光强环境下，植物光合系统吸收的过剩光能会对光合系统造成损伤，引起光合作用强度下降。植物进化出的多种机制可在一定程度上减轻该损伤。某绿藻可在高光强下正常生长，其部分光合过程如图所示。 (1)叶绿体膜的基本支架是　____________　；叶绿体中含有许多由类囊体组成的　____________　，扩展了受光面积。 (2)据图分析，生成NADPH所需的电子源自于　____________　。采用同位素示踪法可追踪物质的去向，用含3H2O的溶液培养该绿藻一段时间后，以其光合产物葡萄糖为原料进行有氧呼吸时，能进入线粒体基质且被3H标记的物质有H2O、　______　，离心收集绿藻并重新放入含HO的培养液中，在适宜光照条件下继续培养，绿藻产生的带18O标记的气体有　__________　。 (3)据图分析，通过途径①和途径②消耗过剩的光能减轻光合系统损伤的机制分别为　__________________________________　。 [关键信息点] ① 叶绿体的结构(膜的基本支架，基粒的组成) ② 采用同位素示踪法可追踪物质的去向 ③ 途径①和途径②消耗过剩的光能减轻光合系统损伤的机制 解析：：(1)叶绿体膜属于生物膜的范畴，生物膜的基本支架是磷脂双分子层；叶绿体中含有许多由类囊体组成的基粒，扩展了受光面积。 (2)据图分析，水在光下分解为O2和H＋，同时产生的电子经传递，可用于NADP＋与H＋结合形成NADPH，即生成NADPH所需的电子源自于水的光解。3H2O被植物细胞吸收后参与光合作用，生成CH12O6。在有氧呼吸的第一阶段，CH12O6在细胞质基质中被分解成含有3H的丙酮酸，产生少量的[3H]，并释放少量的能量；在有氧呼吸的第二阶段，丙酮酸与3H2O在线粒体基质中被彻底分解生成CO2和[3H]，释放少量的能量；在线粒体内膜上完成的有氧呼吸的第三阶段，[3H]与O2结合生成H2O，并释放大量的能量。可见，用含3H2O的溶液培养该绿藻，一段时间后，能进入线粒体基质被3H标记的物质有H2O、丙酮酸。培养液中HO被绿藻吸收后，在光合作用的光反应阶段被分解产生18O2；在有氧呼吸的第二阶段，HO与丙酮酸被彻底分解为C18O2和[H]，即产生的带18O标记的气体有O2和CO2。 (3)据图分析，途径①通过将过剩的电子传递给氧气，生成超氧化物(如H2O2)，进而这些超氧化物被活性氧清除系统(如过氧化氢酶等)清除，从而防止活性氧对光合系统的损伤；途径②将叶绿体吸收的过剩光能转化为热能散失，减少电子的释放，产生的活性氧减少，从而防止对光合系统的损伤。 答案：(1)磷脂双分子层　基粒 (2)水的光解　丙酮酸、[H]　氧气(或O2)和二氧化碳(CO2) (3)途径①光能以电能耗散；途径②光能以热能耗散 [真题品悟]——厚积素养 [考向1]　光合作用的探索历程　 1．(福建高考真题)生物科学史蕴含科学研究的思路和方法，下列科学史实验与结论不相符的叙述是(　　) 选项 科学史实验 结论 A 用伞形帽和菊花形帽伞藻进行嫁接和核移植实验 伞藻的帽形建成主要与细胞核有关 B 绿叶暗处理后，一半遮光，另一半曝光，碘蒸气处理后观察叶片颜色变化 淀粉是光合作用的产物 C 不同颜色荧光染料标记人和小鼠的细胞膜蛋白进行细胞融合实验 细胞膜具有流动性 D 将狗的小肠黏膜和稀盐酸混合磨碎后制成的提取液注入狗的静脉，检测胰液分泌情况 胰液分泌是神经调节的结果 　　　　　　　　　　　　　　　　 解析：：D　[用伞形帽和菊花形帽伞藻进行嫁接和核移植实验说明伞藻的帽形建成主要与细胞核有关，A正确；萨克斯的实验中设置了对照试验，遮光和不遮光的叶片形成对照试验，碘蒸气是要排除叶片中原来的淀粉的影响，实验结果遮光部分不变蓝，曝光部分变蓝，说明淀粉是光合作用的产物，B正确；不同颜色荧光染料标记人和小鼠的细胞膜蛋白进行细胞融合实验，荧光染料与细胞膜组成成分蛋白质结合，随着该组成成分的移动而移动，细胞膜上荧光物质的移动表明了细胞膜组成成分的移动，可推知膜上的蛋白质分子具有流动性，C正确；将狗的小肠黏膜和稀盐酸混合磨碎后制成的提取液注入狗的静脉，检测胰液分泌情况，因本实验中小肠黏膜神经被彻底排除，最终有胰液的分泌，故可说明胰液分泌不是神经调节的结果，D错误。] [考向2]　光合作用的原理　 2．(2025·河北卷)对绿色植物的光合作用和呼吸作用过程进行比较，下列叙述错误的是(　　) A．类囊体膜上消耗H2O，而线粒体基质中生成H2O B．叶绿体基质中消耗CO2，而线粒体基质中生成CO2 C．类囊体膜上生成O2，而线粒体内膜上消耗O2 D．叶绿体基质中合成有机物，而线粒体基质中分解有机物 解析：：A　[类囊体膜上进行水的光解消耗H2O，而线粒体内膜上进行有氧呼吸第三阶段生成H2O，线粒体基质中进行有氧呼吸第二阶段消耗H2O，A错误；叶绿体基质中进行暗反应，消耗CO2进行二氧化碳的固定，线粒体基质中进行有氧呼吸第二阶段，丙酮酸和水反应生成CO2，B正确；类囊体膜上进行水的光解生成O2，线粒体内膜上进行有氧呼吸第三阶段，消耗O2和NADH生成水，C正确；叶绿体基质中进行暗反应，合成葡萄糖等有机物，线粒体基质中进行有氧呼吸第二阶段，分解有机物(丙酮酸)，生成CO2和NADH，D正确。] 3．(2024·湖南高考)钾是植物生长发育的必需元素，主要生理功能包括参与酶活性调节、渗透调节以及促进光合产物的运输和转化等。研究表明，缺钾导致某种植物的气孔导度下降，使CO2通过气孔的阻力增大；Rubisco的羧化酶(催化CO2的固定反应)活性下降，最终导致净光合速率下降。回答下列问题： (1)从物质和能量转化角度分析，叶绿体的光合作用即在光能驱动下，水分解产生　________　；光能转化为电能，再转化为　________　中储存的化学能，用于暗反应的过程。 (2)长期缺钾导致该植物的叶绿素含量　________　，从叶绿素的合成角度分析，原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________(答出两点即可)。 (3)现发现该植物群体中有一植株，在正常供钾条件下，总叶绿素含量正常，但气孔导度等其他光合作用相关指标均与缺钾时相近，推测是Rubisco的编码基因发生突变所致。Rubisco由两个基因(包括1个核基因和1个叶绿体基因)编码，这两个基因及两端的DNA序列已知。拟以该突变体的叶片组织为实验材料，以测序的方式确定突变位点。写出关键实验步骤：①　____________　；②　____________　；③　__________　；④基因测序；⑤　__________　。 解析：：(1)植物光反应过程中水的光解会产生O2和H＋，H＋和NADP＋结合产生NADPH。该过程中光能转化为电能，电能再转化为储存在ATP和NADPH中的化学能。 (2)长期缺钾导致该植物的叶绿素含量降低，其原因是钾参与酶活性的调节，缺钾会降低叶绿素合成相关酶的活性；钾参与渗透调节，缺钾会影响细胞渗透压，进而影响细胞对Mg、N等的吸收，而Mg和N是合成叶绿素的原料，因此最终会影响叶绿素的合成。 (3)Rubisco由两个基因编码，这两个基因及两端的DNA序列已知，因此检测其是否突变的基本思路是利用PCR技术扩增突变体的相应基因，测序后和已知序列进行比较。其具体步骤为：①分别提取该组织细胞的细胞核DNA和叶绿体DNA；②根据编码Rubisco的两个基因的两端DNA序列设计相应引物；③利用提取的DNA和设计的引物分别进行PCR扩增并电泳；④基因测序；⑤和已知基因序列进行比较。 答案：(1)O2和H＋　ATP和NADPH (2)减少　缺钾会使叶绿素合成相关酶的活性降低；缺钾会影响细胞的渗透调节，进而影响细胞对Mg、N等的吸收，使叶绿素合成减少 (3)分别提取该组织细胞的细胞核DNA和叶绿体DNA(取突变体叶片，提取DNA)　根据编码Rubisco的两个基因的两端DNA序列设计相应引物　利用提取的DNA和设计的引物分别进行PCR扩增并电泳　和已知基因序列进行比较 学科网（北京）股份有限公司 $